寬帶前饋功率放大器設計

陳創業

摘要：目前，無線通信系統對發射機的帶寬和線性度提出了更高的要求，前饋線性化技術是滿足需求的唯一技術。本文首先對比了目前主流的幾種線性化技術的優缺點，然后對寬帶前饋線性化技術的關鍵原理進行了分析并針對工程應用做了設計優化，一定程度提高了效率。

關鍵詞：發射機;前饋;線性化

中圖分類號：TN722.75 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）07-0167-03

0 引言

進入21世紀以來，隨著移動通信的更新換代，預失真線性化技術已無法處理寬帶多載波的射頻信號，同時電子器件制造和數字信號處理技術的發展進步，使得前饋技術成為目前最熱門的線性化技術。

基于前饋技術在帶寬和線性度改善方面的優越性能，展開對其原理和關鍵技術的分析并進行工程化設計十分必要。

1 放大器的線性化技術

射頻放大器的線性化技術按技術原理可分為反饋、預失真和前饋三大類。

反饋技術因電路簡單，作為閉環自適應線性化技術必要組成仍廣泛應用于音頻放大器，但在射頻工作頻段，很大程度上受工作帶寬窄和難以有效處理多載波信號等缺點的限制。

預失真技術屬于開環線性化技術，具有穩定性好、頻帶寬、電路簡單且成本低等優點，是目前應用最廣泛的線性化技術;然而該技術對互調失真的改善程度有限，一般僅為幾個dB。

前饋技術具有無條件穩定特點，噪聲系數小，互調失真改善程度高，雖然該技術對系統中各元件的幅度、相位以及時延精度要求較高，且對系統效率有一定惡化，但它已是目前唯一能滿足現代通信系統對帶寬和多載波需求的技術。

以上幾種線性化技術對比情況[1]見表1。

2 前饋線性化技術基本原理

前饋放大器基本結構圖如圖1所示。

如圖1所示，主環路中的支路1實現主信號放大，支路2對輸入信號進行耦合提取并調整群時延，最終實現對交調信號的提取;誤差環路中的支路4實現被放大后的主信號的群時延調整，支路3對交調信號進行幅相調節，最終通過耦合器4將輸出信號的交調信號消除。

3 前饋線性化關鍵技術

3.1 高精度矢量信號對消

前饋線性化技術的基本思想是通過兩次高精度的矢量信號對消實現對交調抑制的大幅度改善，一般要實現25dB的抑制需要對消兩支路的信號幅度和相位差分別在0.5dB和5°以內[2]，而當信號帶寬較窄時群時延的影響則較小，對精度要求不高。

支路信號的幅相特性通過矢量調制器實現。若對消抑制和動態范圍要求不高可采用數控幅相調制器，受控制位數有限的限制，幅度步進一般為0.5dB，相位步進為5.625°，幅度可調節范圍一般在10dB以內，相位調節范圍5.625°～360°;當對消抑制和動態范圍要求較高，則需使用壓控模擬矢量調制器，其代表原理框圖如圖2所示，工作過程主要通過高精度連續變化的電壓來控制相互正交的雙極性壓控衰減器來實現，高精度電壓通過提高DAC的控制位數實現，最終可實現幅度和相位連續變化，且幅度可調范圍較大，至少在20dB以上。

目前，國內高頻寬帶高精度的壓控模擬矢量調制器基本處于空白狀態，是自主可控研究的限制瓶頸。

3.2 寬帶射頻電路設計

寬帶主要指工作頻帶和信號帶寬兩方面，而兩者對射頻電路的設計需求是不同的。

當工作頻帶較寬時，即相對帶寬至少大于10%，為滿足矢量信號的寬帶對消條件，兩條支路的最主要的幅頻特性要保持一致，一般在±0.5dB以內。

較寬的信號帶寬則對合成器件（耦合器、3dB電橋或者威爾金森合路器）和誤差放大器的帶寬提出了更高的要求，其工作帶寬至少需要BW+2×△f，其中BW為主放大器的工作帶寬，△f為最大信號帶寬。

4 工程化的優化改進設計

當前饋放大器的輸出功率動態變化時，誤差環路的中兩支路的幅度一致性可能出現較大波動從而使矢量對消效果嚴重惡化，通過對幅度一致性可能的變化趨勢進行預判，可將矢量調制器1的工作點調整到最合適的工作狀態。

另一方面，當前饋放大器具有較大動態范圍時，主放大器的增益通常較大，這導致支路1的矢量調制器的衰減量通常在20dB以上，故誤差放大器將具有很高的增益，為了降低對誤差放大器的增益壓力，我們將主放大器拆分成兩級，同時將矢量調制器1更換到支路2上，原理框圖如圖3所示。

優化后的推動放大器需要具有較高的線性度指標，同時末級放大器具有合適的增益以滿足主環路的矢量對消條件，誤差放大器的需求增益可被極大的降低，一定程度上提高了效率。

5 結語

本文針對傳統前饋放大器的原理框圖，提出了優化改進措施，最終減小了誤差放大器的增益壓力，提高了效率，同時針對寬帶多載波大動態前饋放大器的關鍵設計技術及其現狀進行了分析，對工程應用具有一定的指導作用。

參考文獻

[1] 李堃.高線性大功率前饋功率放大器的設計[D].武漢：華中科技大學，2017.

[2] M.K.Nezami，Feedforward power amplifier linearization for 4G basestation[C].IEEE Proc.Malaysia Int.Conf.Commun.（MICC），Kuala Lumpur，Malaysia，Dec.2009（8）：880-884.